용융염 전지

Molten-salt battery
FZSoNick 48TL200: 용접 밀봉 셀 및 단열재를 갖춘 나트륨 니켈 배터리

용융염 배터리는 전해질로 용융염을 사용하는 배터리의 한 종류로, 높은 에너지 밀도와 높은 전력 밀도를 제공합니다.기존의 비충전식 열전지는 가열로 작동되기 전에 실온에서 장시간 고체 상태로 보관할 수 있습니다.충전식 액체 금속 배터리는 산업용 전력 백업, 특수 전기 자동차 및 그리드 에너지 저장에 사용되며 태양 전지판 및 풍력 터빈과 같은 간헐적 재생 가능 전력원의 균형을 맞추기 위해 사용됩니다.

역사

열전지는 독일 과학자 게오르크 오토 에르브가 소금 혼합물을 전해질로 사용한 최초의 실용적인 전지를 개발하면서 2차 세계대전 중에 시작되었다.Erb는 V-1 비행폭탄과 V-2 로켓을 포함한 군사용 배터리와 포병 퓨징 시스템을 개발했다.투입된 이 배터리들은 전쟁 중에 사용되지 않았다.그 후, Erb는 영국 정보기관의 심문을 받았다.그의 연구는 "열전지의 이론과 실천"에 보고되었다.이 정보는 이후 미국 [1]표준국의 미국 무기 개발부에 전달되었다.1946년 이 기술이 미국에 들어왔을 때, 그것은 이전에 포병 근접 퓨즈를 작동시키기 위해 사용되었던 성가신 액체 기반 시스템을 대체하는데 즉시 적용되었다.그것들은 제2차 세계대전 이후 그리고 나중에는 핵무기에서 무기 애플리케이션(예: 근접 퓨즈)에 사용되었다.1980년대에 Argonne National[2] Laboratory와 다른 연구자들에 의해 전기 자동차에 [3]사용하기 위해 같은 기술이 연구되었다.

2021년 연구에서는 400 사이클에 걸쳐 230°F(110°C)에서 작동하는 셀의 안정적인 작동이 보고되었습니다.전지는 3.6볼트로 작동했다.액체 나트륨 금속은 세라믹 분리기를 통과하여 액체 요오드화 나트륨과 "카톨리테"라고 불리는 염화 갈륨의 혼합물에 도달합니다.염화 갈륨의 높은 가격 때문에 이 디자인은 [4]상업적으로 사용되지 않을 것으로 예상되었다.

충전식 구성

1960년대 중반 이후 음극용 나트륨(Na)을 사용하는 충전식 배터리에 대한 많은 개발 작업이 수행되었습니다.나트륨은 -2.71V의 높은 환원 잠재력, 낮은 무게, 상대적인 풍부함 및 낮은 비용 때문에 매력적입니다.실용적인 배터리를 만들기 위해서는 나트륨이 액체 상태여야 합니다.나트륨의 용해점은 98°C(208°F)입니다.즉, 나트륨 기반 배터리는 245 ~ 350°C(470 ~ 660°F)[5]의 온도에서 작동합니다.본 연구에서는 작동 온도가 200°C(390°F)이고 실온이 [6]있는 금속 조합을 조사했습니다.

나트륨-황

주요 기사:나트륨-황 전지

나트륨-황 배터리(NaaS 배터리)는 관련 리튬-황 배터리와 함께 저렴하고 풍부한 전극 재료를 사용합니다.그것은 최초의 알칼리 금속 시판 배터리였다.정극에는 액체 유황을 사용하고 베타 알루미나 고체 전해질(BASE) 세라믹 튜브를 사용했다.절연체 부식은 점차 전도성이 높아지고 자가 방전 속도가 증가했기 때문에 문제가 되었습니다.

높은 비전력 때문에 NaaS 배터리는 우주 [7][8]응용 분야에 제안되어 왔다.우주용 NaaS 배터리는 [9]1997년 우주왕복선 임무 STS-87에서 성공적으로 테스트되었지만, 이 배터리는 우주에서 운용적으로 사용되지 않았다.NaaS 배터리는 [9]금성의 고온 환경에서 사용하도록 제안되었습니다.

도쿄전력(도쿄전력)과 NGK(NGK 절연체 주식회사)가 1983년에 NaaS 배터리 연구에 관심을 표명해, 그 후 지금까지의 개발의 주역이 되었다.도쿄전력은 모든 성분 원소(나트륨, 황, 세라믹)가 일본에 풍부하기 때문에 NaaS 배터리를 선택했습니다.1993년부터 1996년까지 도쿄전력 쓰나시마 변전소에서 3×2MW, 6.6kV 배터리 뱅크를 사용한 최초의 대규모 현장 테스트가 실시되었다.이 시험 결과를 바탕으로 개량된 배터리 모듈이 개발되어 2000년에 시판되었습니다.상용 NaaS 배터리 뱅크는 다음을 제공합니다.

  • 용량: 뱅크당 25~250kWh
  • 효율 87%
  • 100% 방전 깊이(DOD)에서 2,500 사이클의 수명 또는 80% DOD에서 4,500 사이클의 수명

염화나트륨-니켈(제브라) 전지

용융염 배터리의 저온[10] 변형은 1985년 ZEBRA(원래 "Zeolite Battery Research Africa"; 나중에 "Zeolite Batteries Research Activity") 배터리를 개발한 것으로, 원래는 전기 자동차용으로 [11][12]개발되었습니다.배터리는 Na-beta-alumina+ 세라믹 [13]전해질을 사용하는 NaAlCl을 사용합니다4.

Na-NiCl
2 배터리는 245°C(473°F)에서 작동하며 용해된 테트라클로로알루민산나트륨(NaAlCl
4)을 전해질로 사용합니다.음극은 용해된 나트륨입니다.양극은 방전 상태의 니켈과 충전 상태의 염화 니켈입니다.니켈과 염화 니켈은 중성 및 염기성 용해에서 거의 용해되지 않기 때문에 접촉이 허용되어 전하 전달에 대한 저항이 거의 없습니다.NaAlCl과
4 Na는 모두 동작 온도에서 액체이므로 나트륨 전도성 β-알루미나 세라믹스를 사용하여 액체 나트륨을 용융 NaAlCl에서
4 분리한다.이러한 배터리의 제조에 사용되는 주요 원소는 [14]리튬보다 전 세계 매장량과 연간 생산량이 훨씬 높습니다.

1985년 남아프리카공화국 프리토리아에 있는 CSIR의 Zeolite Battery Research Africa Project (ZBRA) 그룹에 의해 발명되었다.NaCl, Al, 니켈, 쇳가루를 사용하여 방전된 상태로 조립할 수 있습니다.양극은 대부분 고체 상태의 물질로 구성되어 있어 부식 가능성이 낮아져 [15]안전성이 향상됩니다.비에너지는 100Wh/kg, 비전력은 150W/kg입니다.β-알루미나 고체 세라믹은 금속 나트륨과 염화 알루미늄 나트륨에 반응하지 않습니다.풀사이즈 배터리의 수명은 2,000 사이클 이상, 20년 이상, 10셀 및 20셀 모듈의 수명은 4,500 사이클 이상, 15년 이상이라는 것이 입증되었습니다.비교를 [citation needed]위해 LiFePO4 리튬 인산철 배터리는 90~110 Wh/kg, 보다 일반적인2 LiCoO 리튬 이온 배터리는 150~200 Wh/kg을 저장합니다.티탄산나노 리튬배터리는 72 Wh/kg을 저장해 760 W/[16]kg의 전력을 공급할 수 있다.

ZEBRA의 액체 전해액은 157°C(315°F)에서 동결되며, 정상 작동 온도 범위는 270–350°C(520–660°F)입니다.셀에 철을 첨가하면 전력 [15]반응이 증가합니다.ZEBRA 배터리는 현재 FZSoNick에[17] 의해 제조되고 있으며 통신업계, 석유 및 가스 및 철도에서 전력 백업으로 사용되고 있습니다.그것은 또한 채굴에 사용되는 특수 전기 자동차에도 사용된다.과거에는 Modec Electric Van,[citation needed] Iveco Daily 3.5톤 배송 차량,[citation needed] 시제품 Smart ED, Th!nk [18]City에 채택되었습니다.2011년 US Postal Service는 ZEBRA [19]배터리로 구동되는 모든 전기 배달 밴을 테스트하기 시작했습니다.

2010년 General Electric은 20년 수명을 가진 Na-NiCl
2 배터리를 발표했습니다.음극 구조는 전도성 니켈 네트워크, 용융 염 전해질, 금속 집전 장치, 탄소 펠트 전해질 저장 장치 및 활성 금속 할로겐화 나트륨 [20][21]소금으로 구성됩니다.2015년 글로벌 구조조정으로 사업을 [22]포기했다.2017년 중국 배터리 제조업체 칠위 그룹(일명 차오웨이)은 제너럴 일렉트릭(GE)과 함께 산업용 및 에너지 스토리지 애플리케이션용 [23]Na-NiCl 배터리를 시장에 출시하기 위해 새로운 회사를 설립했습니다.

Na-NiCl
2 배터리는 사용하지 않을 때 일반적으로 용해된 상태로 유지되며 즉시 사용할 수 있습니다. 고화할 경우 재가열 및 [24]충전하는 데 일반적으로 12시간이 소요되기 때문입니다.이 재가열 시간은 배터리 팩의 온도와 재가열에 사용할 수 있는 전력에 따라 달라집니다.완전히 충전된 배터리 팩은 셧다운 후 5~7일 [citation needed]이내에 냉각 및 응고할 수 있는 충분한 에너지가 손실됩니다.

금속 염화나트륨 배터리는 매우 안전합니다. 열 폭주는 배터리를 관통해야만 활성화될 수 있으며, 이 경우 화재나 폭발이 발생하지 않습니다.이러한 이유와 냉각 시스템 없이 실외에 설치할 수 있는 가능성을 고려하여 금속 염화나트륨 배터리를 산업 및 상업용 에너지 저장 설비에 매우 적합합니다.

스미토모는 나트륨 기반 배터리보다 훨씬 낮은 61°C(142°F)에서 용해되고 90°C(194°F)에서 작동하는 소금을 사용하여 배터리를 연구했습니다.최대 290 Wh/L 및 224 Wh/kg의 에너지 밀도와 100 ~ 1000의 충전 사이클로 1C의 충전/배출 속도를 제공합니다.배터리는 불연성 물질만 사용하며 공기와 접촉해도 점화되지 않으며 열 폭주 위험도 없습니다.이를 통해 폐열 저장 장치나 방화 및 방폭 장비가 제거되고 셀 패킹이 더욱 긴밀해집니다.이 회사는 배터리가 리튬이온 배터리의 절반과 나트륨-황 [25]배터리의 1/4을 필요로 한다고 주장했습니다.그 전지는 니켈 음극과 유리 모양의 탄소 [26]양극을 사용했다.

2014년 연구자들은 50°C(122°F)에서 작동하며 g당 420밀리암페어시(milliampere-hours)를 생성하는 액체 나트륨-세슘 합금을 확인하였습니다.이 새로운 물질은 전해질을 완전히 코팅하거나 "습식"시킬 수 있었습니다.100번의 충전/방전 사이클 후 테스트 배터리는 초기 저장 용량의 약 97%를 유지했습니다.낮은 작동 온도로 인해 강철 대신 저렴한 폴리머 외장 케이스를 사용할 수 있게 [27]되어 세슘의 증가된 비용을 상쇄할 수 있었습니다.

스위스 메이링겐의 이노베너지는 니켈 분말 성분을 제외한 국내 원료를 사용해 이 기술을 더욱 최적화했습니다.리튬 이온 배터리에 비해 용량이 적지만, ZEBRA 기술은 태양광 발전으로 인한 고정 에너지 저장에 적용할 수 있습니다.2022년에는 쇼핑센터 옥상에 540kwh급 태양전지 저장시설을 운영했으며, 현재 연간 100만 개 이상의 배터리 유닛을 지속 가능한 무독성 물질(테이블 솔트)[28]로 생산하고 있습니다.

액체 금속 배터리

다음 항목도 참조하십시오.Ambri (회사)

매사추세츠 공과대학의 도널드 새도웨이 교수는 마그네슘-항원료와 최근 납-항원료를 모두 사용한 액체 금속 충전 배터리 연구를 선도해 왔습니다.전극 및 전해질 층은 고밀도와 불용성 때문에 액체가 되고 자가 분리될 때까지 가열됩니다.이러한 배터리는 충전-방전 주기 동안 전극이 생성 및 파괴 주기를 거치기 때문에 기존의 배터리 [29]전극을 손상시키는 열화에 대한 면역이 생기기 때문에 기존 배터리보다 수명이 더 길 수 있습니다.

이 기술은 [30][31][32]용융염으로 분리된 마그네슘과 안티몬을 기반으로 2009년에 제안되었다.마그네슘은 용융염 전해액에서 저비용, 저용해성으로 부극으로 선택되었습니다.정극으로 안티몬이 선택되는 이유는 저렴한 비용과 높은 방전전압 때문입니다.

2011년 연구진은 리튬 양극과 납-반음극이 있는 셀을 시연했는데, 이는 이온 전도율이 높고 녹는점(350–430°[29]C)이 낮았다.Li 화학의 단점은 고비용이다.450°C에서 작동하는 약 0.9V 개방 전위를 가진 Li/LiF + LiCl + LiI/Pb-Sb 셀의 전기 활성 재료 비용은 US$100/k였습니다.Wh 및 US$100/kW 및 예상 수명 25년1.1A/cm의2 방전 전력은 44%(0.14A/cm의2 88%)에 불과합니다.

실험 데이터에 따르면 우수한 스토리지 용량(1000mAh/cm2 이상), 낮은 누출량(1mA/cm2 미만), 높은 최대 방전 용량(200mA/cm2 [33]이상)으로 69%의 스토리지 효율성을 제공합니다.2014년 10월까지 MIT 팀은 높은 충전/배출 속도(275mA/cm2)에서 약 70%의 운영 효율성을 달성했습니다. 이는 양수식 수력발전과 유사하고 낮은 전류에서 더 높은 효율성을 달성했습니다.테스트 결과, 시스템은 10년 동안 정기적으로 사용해도 초기 용량의 [34]약 85%를 유지할 수 있었습니다.2014년 9월, 양극에는 납과 안티몬의 용융합금, 음극에는 액체 리튬, 전해질에는 리튬 염의 용융 혼합물을 사용하는 배열이 연구되었습니다.

최근의 혁신은 낮은 녹는점 리튬 기반 배터리를 가능하게 하는 PbBi 합금입니다.LiCl-LiI 기반 용융 염 전해액을 사용하며 410°[35]C에서 작동합니다.

이온성 액체는 충전용 배터리에 사용할 수 있는 능력이 있는 것으로 나타났습니다.전해질은 용제가 첨가되지 않은 순수한 용융 소금으로, 상온 액상을 가진 소금을 사용하여 제조됩니다.이것은 매우 점성이 높은 용액을 유발하며, 일반적으로 가단 격자 [36]구조를 가진 구조적으로 큰 소금으로 만들어진다.

서멀 배터리(무충전)

용융염 열 저장소와 혼동하지 마십시오.

테크놀로지

서멀 배터리는 외부 온도에서 고체로 비활성화된 전해질을 사용합니다.무기한(50년 이상) 저장할 수 있지만 필요할 경우 즉시 최대 전력을 공급할 수 있습니다.일단 활성화되면 단시간(수십 초에서 60 분 이상) 동안 높은 전력을 공급하며 출력은 와트에서 킬로와트까지 다양합니다.높은 출력은 용해된 소금의 높은 이온 전도율(내부 저항이 낮음)에 기인하며, 이는 납-산 자동차 배터리의 황산보다 3단계(또는 그 이상) 더 큽니다.

하나의 디자인은 열 펠릿의 가장자리를 따라 푸즈 스트립(도자기 종이에 크롬산바륨과 지르코늄 금속 분말 포함)을 사용하여 전기화학적 반응을 시작합니다.퓨즈 스트립은 일반적으로 전류에 의해 작동되는 전기 점화기 또는 스퀴브에 의해 점화됩니다.

또 다른 설계에서는 배터리 스택의 중앙에 있는 중앙 홀을 사용하여 고에너지 전기 점화기가 뜨거운 가스와 백열 입자를 혼합하여 점화합니다.이것에 의해, 엣지 스트립 설계의 액티베이션 시간은 수백 밀리초보다 훨씬 짧아집니다.배터리 작동은 샷건 탄환과 유사한 타진 프라이머에 의해 수행될 수 있습니다.열원은 가스가 없어야 합니다.표준 열원은 일반적으로 88/12, 86/14 또는 84/[37]16 중량 비율로 철분과 과염소산칼륨의 혼합물로 구성됩니다.과염소산칼륨 수치가 높을수록 열 출력이 높아집니다(각각 명목상 200, 259 및 297 cal/g).이러한 비활성 저장의 특성은 저장 중 활성 물질의 열화를 방지하고 배터리가 활성화될 때까지 자가 방전으로 인한 용량 손실을 제거하는 이중적인 이점을 제공합니다.

1980년대에 리튬 합금 양극은 칼슘 또는 마그네슘 양극을 크롬산칼슘, 바나듐 또는 텅스텐 산화물의 음극으로 대체했습니다.리튬-실리콘 합금은 이전의 리튬-알루미늄 합금보다 선호됩니다.리튬 합금 양극에 사용할 수 있는 해당 음극은 주로 고출력 애플리케이션용 이황화 코발트로 대체된 이황화 철(피라이트)입니다.전해질은 보통 염화리튬과 염화칼륨의 공정 혼합물이다.

최근에는 더 긴 작동 수명을 제공하기 위해 브롬화 리튬, 브롬화 칼륨, 염화 리튬 또는 플루오르화 리튬을 기반으로 한 다른 저융해 공정 전해질도 사용되었습니다. 또한 더 나은 도체입니다.염화리튬, 브롬화리튬, 플루오르화리튬(칼륨염 없음)을 기반으로 하는 이른바 "올 리튬" 전해질은 높은 이온 전도성 때문에 고출력 응용에도 사용됩니다.SrTiO의4 펠릿 형태와 같은 방사성 동위원소 열 발생기를 사용하여 활성화 후 배터리의 열을 장기간 전달하여 [38]용해 상태를 유지할 수 있습니다.

사용하다

열전지는 특히 유도 [39][unreliable source?][40][unreliable source?]미사일과 같은 군사적 용도로만 사용됩니다.이들은 AIM-9 사이드와인더, AIM-54 피닉스, MIM-104 패트리엇, BGM-71 TOW, BGM-109 토마호크 등 많은 미사일의 주요 동력원이다.이 배터리에서 전해질은 모세관 작용에 의해 고정되는 특수한 등급의 산화 마그네슘에 의해 용해될 때 고정됩니다.이 분말 혼합물은 펠릿으로 압착되어 배터리 스택에 있는 각 셀의 양극과 음극 사이에 분리기를 형성합니다.전해질(소금)이 고체인 한 배터리는 비활성 상태로 유지됩니다.또한 각 셀에는 폭약식 열원이 포함되어 있으며, 이 열원은 셀을 400–550°C의 일반적인 작동 온도로 가열하는 데 사용됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

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